Unpannonische Heizsaison 2016-2017

Die Siedler hatten den Bogen endgültig überspannt. Jahrelang wurde hier berichtet über Winter, die zu pannonisch waren oder nicht kanadisch genug waren. Irgendwie war das auch ein Ausdruck ihrer Frustration: Man musste zu drastischen Maßnahmen greifen, um einen echten Winter zu simulieren und endlich einen ordentlichen Eiswürfel zu erzeugen.

Und so haben die Siedler sie heraufbeschworen – die Heizsaison 2016 / 2017 mit dem kältesten Jänner (Januar) seit 30 Jahren. So sieht die Bilanz aus:

Der positive Rekord: 14m3 Eis ganz ohne Trickersei! Und das, obwohl das Obergeschoß wieder mit dem Holzofen beheizt wurde:

(Zu der eigenartigen ‚Schwingung auf dem Eisplateau‘ siehe die Geschichten von Blubber und Orkrakel.)

Die lange Periode von mittleren Außentemperaturen unter Null, ganz ohne Warmlufteinbruch lässt aber Schlimmes erahnen: Ein trauriger Rekord wurde erreicht – der grüne Balken der Monatsarbeitszahl hält sich im Jänner 2017 doch deutlich fern von der 4er-Marke:

In diesem Monat wurden über 3.000 kWh Heizenergie benötigt; im ganzen Jahr wurden ca. 16.600 kWh verbraucht inkl. Warmwasser – gleich wie wie in der vorigen Saison, in der die ganze Siedlerhütte mit der Wärmepumpe beheizt wurde. Zu beachten: Trotz heroischer punktueller Renovierungsmaßnahmen wird der Großteil der Heizenergie im Untergeschoß noch über Radiatoren verteilt – im Januar bei einer mittleren Heizkreis-Vorlauftemperatur von 37°C.

Der Kollektor konnte in diesen Wochen vergleichsweise wenig Energie liefern, während die fleißige Wärmepumpe täglich ca. 100 kWh Heizenergie ‚produzierte‘:

Damit konnte der Kollektor heuer auch seine übliche Kennzahl nicht ganz erreichen: Wie die Siedler und ihre Krake nicht müde werden zu betonen, liefert er ‚üblicherweise‘ in einer ‚typischen‘ Eisperiode über 75% der Umweltenergie für die Wärmepumpe.

In der letzten Saison folgte aber der kalte Rekord-Jänner auf einen ebenfalls schon kollektorunfreundlichen Dezember. Die Auftauphase im Februar folgt dann wieder dem üblichen Rekordernte-Muster.

Zu beachten ist aber, dass der Kollektor auch in dieser Saison wieder nur zu 50% genutzt wurde. Irgendwer wollte ja seine Forschungsschaltung ordentlich testen: Seit Herbst 2014 musste sich die Wärmepumpe mit 12 statt 24m2 Kollektorfläche begnügen – eine Fläche, die die Siedler angesichts des typischen Energiebedarfs ihrer historischen Siedlerhütte eigentlich als zu gering betrachten.

Etwas getröstet wurden die Siedler allerdings dann im heißen Sommer 2017 – durch Spielereien mit der passiven Kühlung. Sie konnten sich den Eiswürfel für Kühlzwecke zwar nicht lange aufheben, aber in diesem (Hitze-)Rekord-Sommer wurde die bis jetzt höchste Kühlenergie von insgesamt ca. 600kWh benötigt.

Der Kollektor kühlt in vergleichsweise kühlen Nächten den Eisspeichertank; der kalte Tank kühlt wiederum den Pufferspeicher – pro Tag werden von den ‚Heiz‘-Kreisen bis zu 30kWh Kühlenergie entnommen.

Nach dem Bericht über die Herausforderungen und das schwierige Umfeld kommt normalerweise der optimistische Blick in die Zukunft. Chief Engineer Somebody enthüllt die strategische hydraulische Weichenstellung für die eben gestartete Saison: Die zweite Hälfte des Kollektors wurde wieder zugeschaltet!

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Die Messdaten aller Jahre und weitere Details und technische Daten zum System sind wie immer zu finden in unserer Messdatendokumentation (PDF)

Wärmepumpe einmal anders

Die Siedler arbeiten mit recht schlichten Sole-Wasser-Wärmepumpen. In der in diesem Blog dokumentierten Siedlerforschung wird deren Innenleben in der Berichterstattung sträflich vernachlässigt und als Black Box betrachtet. Doch wenn die Abende im Herbst länger werden, dann beginnen sie so manche Internet-Recherche, um grundsätzliche Fragen zu beantworten.

Könnte man eine Wärmepumpe nicht komplett anders bauen?

Und tatsächlich findet man eine verwegene Truppe aus dem Land der Siedler, die genau das gemacht hat: Die so genannte Rotationswärmepumpe verwendet keinen ‚klassischen‘ Kompressor und hier wird auch nicht verflüssigt und verdampft.

Der Druckunterschied wird durch die Zentrifugalkraft der gemeinsamen Rotation der beiden Wärmetauscher auf der Quellen (Niederdruck)- und der Heizungs- (Hochdruck) Seite erzeugt! Der Niederdruckwärmetauscher befindet sich näher an der Achse. Quelle und Senke werden durch die Achse angekoppelt. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt bis zu 1800 Umdrehungen pro Minute.

Das Kältemittel – ein Gemisch aus Edelgasen – wird mit einem Ventilator im Kreis gepumpt und entsprechend einem ‚umgekehrten‘ Joule-Prozess genutzt: Gas wird komprimiert, dadurch erhitzt und dann bei konstantem Druck abgekühlt – hier wird Heizenergie frei. Im nächsten Schritt expandiert das Gas und wird dann bei konstantem (niedrigerem) Druck erhitzt – hier wird der Quelle Energie entzogen.

In der Lehrbuchversion dieses Prozesses sitzt eine (durch Expansion angetriebene) Turbine auf der gleichen Welle wie der Kompressor: Die Kompressionsarbeit ist in der gleichen Größenordnung wie die an der Turbine frei werdende Energie und beide Energien sind relativ hoch im Vergleich zur Differenz – der Nettoantriebsenergie.

Im Gegensatz dazu verwendet man in einer Heizungswärmepumpe zur Expansion des Gases keine Miniturbine, sondern ein Expansionsventil: Hier würde sich die Energierückgewinnung nicht auszahlen. Im Joule-Prozess ist sie unbedingt erforderlich.

Das erklärt, warum die Effizienz des Kompressionsprozesses in der Rotationswärmepumpe sehr hoch sein muss im Vergleich zu den Anforderungen an 0815-Scrollkompressoren in Heizungswärmepumpen: Wenn die Differenz zwischen Kompressionsleistung und Expansionsleistung im Idealfall 100kW beträgt und die Effizienz des Kompressionsprozesses von 100% auf 80% sinkt, ändert sich die Leistungszahl drastisch –  siehe das Zahlenbeispiel auf S. 10 in dieser Veröffentlichung: Im Idealfall werden 100kW benötigt, um die Differenz zwischen 1200kW gewonnener Expansionsleistung und 1300kW absoluter Kompressionsleistung abzudecken. Bei einer Effizienz der Kompression von 80% müssen bei gleich bleibender Expansionsleistung für die Kompression ~1600kW aufgebraucht werden. Die Nettoleistung beträgt dann 500kW – das Fünffache im Vergleich zum perfekten Prozess. Der COP sinkt von 10 auf 2,3.

Diese Anforderungen an die Effizienz erklären wahrscheinlich, warum Rotationswärmepumpen ‚groß gebaut‘ werden und einmal für den industriellen Einsatz gedacht sind. Ein weiterer Vorteil des Prozesses ohne Phasenübergang ist, dass man sich sozusagen ein beliebiges Plätzchen im Zustandsdiagramm aussuchen kann: Die Wärmepumpe kann damit flexibel zwischen sehr unterschiedlichen – und auch Siedlerhütten-untypischen – Temperaturen betreiben werden.

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Den wahnsinnig kreativen Titel zu diesem Posting haben wir uns tatsächlich selbst ausgedacht – wobei wir gerne auf dieses unabsichtliche Plagiat hinweisen.

Die Energiegeschichte der Siedlerhütte

Auf der Seite Über die Siedler werden vollmundig Physik- und Energiegeschichten angekündigt. Deshalb ist eine Aufarbeitung dunkler Kapitel der Energiegeschichte der Siedlerhütte längst überfällig.

Das hierbei verwendete Datenmaterial stammt großteils noch nicht aus der Zählwerkstatt der Siedler, sondern aus kryptischen Postillen der Energieversorger aus der Zeit um die Jahrtausendwende. Insbesondere Ereignisse wie ein Wechsel des Abrechnungszeitraums stellen den Datenauswerter vor große Herausforderungen. Es sollen daher in erster Linie besondere Ereignisse anekdotisch-qualitativ beleuchtet werden.

Die Siedlerhütte ist ein typischer Pannonischer Streckhof, siehe dazu das folgende Video zum historischen Hintergrund dieser regionalen Baukultur. Wir hoffen, dass die Englischen Untertitel auch unseren überregionalen Lesern erlauben, dem Pannonischen O-Ton zu folgen:

Der Siedlerstreckhof durchlebte mehrere Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauches. Entsprechend dem Schlusssatz dieses Videos wurde versucht, ein harmonisches Gleichgewicht zwischen Alt und Neu zu schaffen durch einen behutsamen Umgang mit dem historischen Erbe. Dass die unreflektierte Erhaltung des Status Quo aber kein Ziel war, zeigen folgende Bilder aus der dramatischsten Epoche der Siedlerhütte:

Pannonischer Streckhof, vor Dachbodenausbau.

Der Pannonische Streckhof, Stand Anfang 2008. Schlichte Formgebung durch ein Satteldach, das durch industriell anmutendes Baumaterial des 20. Jahrhunderts überzeugt (‚Well-Eternit‘).

Pannonischer Streckhof, Dachbodenausbau.

März 2008: Kurz nach Beginn der Invasion der Aliens Zimmermänner ist der Punkt der maximalen Zerstörung erreicht.

Pannonischer Streckhof, renoviert, ausgebautes Mansardendach.

2009: Die Siedlerhütte nach abgeschlossener Metamorphose – mit ‚Open Office‘ im neuen Mansardendachgeschoß. Die patentwürdige Anbringung der Satellitenschüssel wurde ermöglicht durch nachhaltige Wiederverwertung historischen Baumaterials.

Obwohl die beheizte Nutzfläche durch diese Aktion von 75 m2 auf 185 m2 um mehr als das Doppelte wuchs, verringerte sich die absolut benötigte Heizenergie sogar beträchtlich.

Aber der Reihe nach. Lasst uns die Energiegeschichte anhand des folgenden Diagramms reflektieren…

Heizenergie pro Jahr 1999-2015

Gesamte Heizenergie inkl. WW-Bereitung ab der ersten vollen Heizperiode 1999/2000 (= ‚2000‘), berechnet aus Gas- und/oder Stromverbrauch. Erst mit Beginn der LEO_2-Ära (2012/2013) werden auch die WW-Energien aufgezeichnet.

1999 bis 2003 – Die Jahrtausendwende

Damals hatten die Siedler noch andere Prioritäten. Die alte Gastherme, die im Maschinenraum an der Wand hing, tat unbeachtet und verlässlich ihren Dienst. Obwohl so manche Dusche zur Kneipp-Kur geriet, weil das Warmwasser noch im Durchlauf durch die Gastherme erhitzt wurde. Abgesehen von einem extrem milden Winter 2000/2001 lag der Gesamtenergieverbrauch bei beachtlichen 25.000kWh pro Jahr.

2004 – Mr. Monk schießt sich ein Eigentor

In einem Anfall von Ordnungswahn beschlossen die Siedler, den Dachboden vom Vermächtnis der Vorbesitzer zu befreien: Ein Haufen von jahrzehntealtem Mais-Stroh und mehrere Schichten endgelagerter Teppiche und Bodenbeläge. Nachdem sich die Staubwolke der Aufräumungsarbeiten verzogen hatte, währte die Freude nur kurz.

In der Siedlerküche kündigten plötzlich auftauchende Schimmelspuren an der Decke das Unheil schon lange vor der Gasrechnung mit einem traurigen High-Score von 30.000kWh pro Jahr an. Der ‚alte Dreck‘ war eine nicht ganz unwesentliche Dämmschicht gewesen …

2005 bis 2007 – Kontinuierliche Verbesserung

Angespornt von dieser Niederlage, war Irgendwer wild entschlossen, diese Scharte auszuwetzen: Dass der Energiebedarf bereits vor dem Umbau 2008 schon deutlich gesunken war, ist der Erneuerung von Fenstern und Außentüren sowie einer ersten Dämmung des ‚Mausbodens‚ mit Dämmwolle zu verdanken. Der Winter 2006/2007 war außerdem extrem warm.

Wie in späteren Siedlerprojekten, jagte schon in dieser Epoche eine Ad-Hoc-Innovation die andere:

Lastenaufzug im Selberbau

Irgendwessen Do-It-Youself-Lastenaufzug für Bauschutt.

2008 – DER Ausbau

Die Siedlerhütte durchlebte die oben schon dargestellte Metamorphose mit Dachgeschoßausbau und Anbringung einer Wärmeschutzfassade.

Auch zu diesem Zeitpunkt waren die Energievisionen der Siedler noch nicht vollständig ausgereift und angesichts der sonstigen großen Kommunkations- und Management-Herausforderungen in einem Bauvorhaben wurde dem Rat des Installateurs folgend ‚einfach‘ die vorhandene Gastherme gegen ein Gasbrennwert-Gerät getauscht.

Aus einem unscheinbaren ‚Nebenschauplatz‘ entwickelte sich ein einschneidendes Fundamentalerlebnis, das das Vertrauen zur Zunft der Rohrverleger grundlegend erschütterte und zusammen mit der Gaskrise 2009 die Entwicklung von LEO_2 einleitete.

2008 bis 2011 – Die Gas-Brennwert Jahre

Der Energieverbrauch war durch den Ausbau und die Brennwerttechnik trotz größerer Nutzfläche auf unter 18.000 kWh / Jahr gesunken.

Ab 2011 – Das LEO-Zeitalter

In der Saison 2011/12 wurde mit einer 3kW Mini-Brauchwasser-Wärmepumpe das LEO-Konzept (‚LEO_1‘) in der Praxis erstmals erprobt. Damals noch bivalent zusammen mit der Gasheizung. Schon in der darauffolgenden Heizperiode 2012/2013 ging LEO_2 als monovalentes Wärmepumpensystem für die Siedlerhütte in Betrieb. Ab diesem Zeitpunkt werden auch die Monitoring-Daten lückenlos erfasst.

Gleich die erste Saison 2012/2013 stellte LEO_2  mit einem außergewöhnlich langen und hartnäckigen Winter (was sich auch im Gesamtenergieverbrauch von fast 20.000 kWh auswirkte) auf eine harte Probe.

Heizenergie bezogen auf die beheizte Nutzfläche, 1999-2015

Gesamte von Gastherme und/oder Wärmepumpe benötigte Energie bezogen auf die beheizte Wohn- (und Arbeits-)Nutfläche, seit der Saison 2008/2009 (=’2009′) um einen Faktor 2,5 erhöht.

Die Siedler verbrauchten pro Quadratmeter in den Jahren 2009-2014 im Mittel ca. 92kWh inkl. Warmwasser – angesichts der 1920er Bodenplatte ein Wert, mit dem die Siedler sehr zufrieden sind – im Vergleich der Werte ohne Warmwasser typischer historischer Siedlerhütten.

2014/2015 beheizte die Wärmepumpe nur das Untergeschoß, im Obergeschoß kam der Bullerjan zum Einsatz. Dieses Holzheizexperiment hat gezeigt, dass der gute Wert durch die Kombination eines großen ‚Fast-Passiv-Dachgeschoßes‘ und eines Erdgeschoßes mit erbärmlicher Kennzahl zustande kommt: Bezieht man die gesamte Heizenergie für diese Saison nämlich nur auf die 75 m2 , erhält man 177 kWh/m2. Die Differenz der Gesamtenenergien für diese Saison und die ebenfalls milde Periode 2013/2014 betrug 4000 kWh – damit würde das 110 m2 Obergeschoß mit ca. 37 kWh/m2 beitragen.

Wärmepumpe und Photovoltaik: Neues aus der Zählwerkstatt

In Diskursen mit anderen Siedlern kommt immer wieder die Frage auf, ob man mit einer Photovoltaikanlage im Winter (in sinnvollem Ausmaß) Strom für die Wärmepumpe bereitstellen kann. Wir befragen daher wieder die Datenkrake!

Seit der ersten Optimierung des täglichen Warmwasserprogrammes hinsichtlich Photovoltaikstrom sind nun einige Monate vergangen: Das tägliche Maximum hat sich im Winter in den Vormittag verschoben (Winterzeit!) und wurde natürlich geringer. Allerdings liegt die PV-Leistung auch um die Wintersonnenwende bei Sonnenschein immer noch über der 2kW-Grenze:

PV-Leistung über Tageszeit, Dezember versus Mai

AC-Output-Leistung des PV-Generators(10 Module SO, 8 Module SW)  am Rekordtag mit der höchsten bisher gemessenen Tagesausbeute (32,9kWh) – im Vergleich zu dem ’schönsten‘ Tag in der Nähe des 21. Dezember. 2kW ist die Leistung, die die Wärmepumpe für die Warmwasserbereitung benötigt. Die Dezemberdaten sind nach der Umstellung auf Winterzeit um eine Stunde ‚verschoben‘.

Für die Raumheizung können damit im Winter theoretisch noch die Zeiten unmittelbar vor und nach der mittäglichen ‚Warmwasser-Stunde‘ genutzt werden – wenn das Zentralgestirn sich denn auch zeigen würde!

In den folgenden Grafiken wird die tägliche und monatliche ‚Bilanz der elektrischen Energie‘ auf drei Arten dargestellt:

  1. Der Stromverbrauch der Siedlerhütte als Summe von direkt verbrauchtem PV-Strom und dem vom Netz bezogenen.
  2. Der erzeugte PV-Strom als Summe des direkt verbrauchten und des ins Netz eingespeisten Stroms.
  3. Der interne Stromverbrauch – also die Summe in (1) – aber dieses Mal als Summe der Energie für den Kompressor der Wärmepumpe und dem restlichen Haushaltsstrom inkl. Energie für Steuerung und Hilfspumpen.

Zum ersten Mal werden damit die Daten aus dem UVR1611-CMI-Logging, dem PV-Wechselrichter (Fronius Symo) und dem Smart Meter EM210 für den Eigenverbrauch friedlich vereint präsentiert.

Monatlicher Überblick, seit Start des Betriebes am 6. Mai 2015:

PV: Verbrauch, Erzeugung und Netzbezug im jahr 2015, seit Inbetriebnahme Stromverbrauch: Haushaltsstrom und Kompressor der Wärmepumpe, Mai-Dez 2015

Mit Beginn der Heizsaison steigt ’schlagartig‘ der Eigenverbrauchsanteil (Direktverbrauch / Erzeugung), dafür fällt die Autarkiequote (Direkverbrauch / gesamter Verbrauch).

PV: Autarkiequote versus Eigenverbrauchsquote, Mai-Dez 2015

Sommer

Die Tagesbilanzen im Juli zeigen, dass es relativ einfach ist, im Sommer den Strombedarf der Wärmepumpe (für die Warmwasserbereitung) abzudecken. Der ist nämlich deutlich geringer als die sonstige Grundlast des Hauses.

PV: Verbrauch, Erzeugung und Netzbezug im Januar 2016

Stromverbrauch: Haushaltsstrom und Kompressor der Wärmepumpe, Juli 2015

Winter

Im Dezember ist der tägliche Verbrauch dagegen deutlich höher als die gesamte tägliche Erzeugung, wofür die unersättliche Wärmepumpe verantwortlich ist. Der sonstige Strom ist im Winter ebenfalls leicht erhöht – durch mehr Licht und die Heizkreispumpen – was aber im Vergleich zum Kompressorstrom wenig ins Gewicht fällt.

Die Siedlerhütte hat einen Energiejahresbedarf inklusive Warmwasser von ca. 20.000kWh; der tägliche Heizenergiebedarf an einem sehr kalten Tag sind ca. 130kWh – das bedeutet ca. 33kWh WP-Strom bei einer Arbeitszahl von 4. Im milden Dezember 2015 wurden meist nicht einmal 25kWh inklusive Warmwasser benötigt:

PV: Verbrauch, Erzeugung und Netzbezug im Dezember 2015

Stromverbrauch: Haushaltsstrom und Kompressor der Wärmepumpe, Dezember 2015

Im Januar dagegen zeigt dann ein eher grimmiger Pannonischer Winter sein unfreundliches Gesicht: In den ersten Tagen waren die mittleren Außentemperaturen deutlich unter Null. Leider konnten die Siedler aber mangels Sonnenschein auch die bei Kälte höhere Effizienz ihres PV-Generators nicht ausnutzen – damit blieb der Solarertrag jämmerlich:

PV: Verbrauch, Erzeugung und Netzbezug im Januar 2016 Stromverbrauch: Haushaltsstrom und Kompressor der Wärmepumpe, Januar2015

Zusammenfassung

Man erkennt aus den Tagesbilanzen, dass im Sommer wie im Winter maximal ca. 10kWh PV-Strom pro Tag direkt verbraucht werden können (z.B. 5.7. im Vergleich zu 31.12.). Der wesentlich höhere Verbrauch an Heizstrom im Winter kann den maximalen Direktverbrauch damit nicht wesentlich erhöhen.

Die typische ‚Büro-Tagesgrundlast‘ in der Siedlerhütte sind ca. 500W. An einem langen (sonnigen) Sommertag können bis zu 6 kWh PV-Strom durch die Tagesdauerverbraucher genutzt werden. Die Wärmepumpe benötigt während der Mittagszeit weitere 1-2kWh (‚Warmwasser-Peak‘). Weitere Lastspitzen diverser Elektrogeräte wie Wasserkocher und Herd ergänzen die Gesamtsumme zu ca. 10kWh.

An einem kurzen (sonnigen) Wintertag kann der Bürobetrieb nur 3-4kWh verbrauchen. Zu Mittag kann die maximale PV-Leistung die Grundlast und den daraufgesetzten ‚Warmwasser-Peak‘ der Wärmepumpe gerade abdecken. Die Wärmepumpe liefert nun weitere Lastspitzen über den Tag verteilt – nur können diese nur teilweise durch PV Strom abgedeckt werden, genauso wie der Bedarf von Herd, Wasserkocher & Co.

Die detaillierte Datenauswertung zeigt anschaulich, was die Siedler intuitiv schon vermutet hatten:

  1. Bei guten Bedingungen lag an 7 sonnigen Tagen im Dezember 2015 die PV-Ernte zwischen 10 und maximal 13,5 kWh pro Tag. Der Tagesdurchschnitt kam in diesem Monat über bescheidene 5,3 kWh nicht hinaus.
  2. Bei einem täglichen Energiebedarf der Siedlerhütte von bis zu 45 kWh (ca. 10kWh Grundlast und 35kWh für die Wärmepumpe) werden zwar fast 80% des produzierten PV-Stromes direkt selbst verbraucht, angesichts der Grundlast ist der Beitrag für die Wärmepumpe dabei aber eher gering.
  3. Trotz Wärmepumpe können 20% der PV-Ernte nicht direkt genutzt werden. Das entspricht im Dezember 2015 ca. 35 kWh, also etwa dem Wärmepumpenstrombedarf von 1 Tag.
  4. Wenn man annimmt, dass der im Dezember 2015 direkt verbrauchte PV-Strom ausschließlich für die Wärmepumpe verwendet worden wäre, hätte man damit ca. 21% des Bedarfes decken können.